CA2778007A1 - Joint entre deux elements ayant des coefficients de dilatation thermique differents - Google Patents
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Abstract
L'invention se rapporte à un joint d'étanchéité (10) interposé entre un deux éléments (4', 6) présentant des coefficients de dilatation thermique différents, le joint comprenant : une première et une seconde portions métalliques de contact (16a, 16b) espacées l'une de l'autre selon une direction axiale d'empilement (8) orthogonale à une direction radiale (20); - des moyens de liaison étanche (14) entre les portions (16a, 16b), autorisant un déplacement relatif entre celles-ci selon la direction radiale; et - une première et une seconde pièces de glissement (24a, 24b) respectivement couplées en translation selon la direction radiale aux portions (16a, 16b), et empilées de manière à pouvoir glisser relativement l'une par rapport à l'autre selon la direction radiale.The invention relates to a seal (10) interposed between a two elements (4 ', 6) having different thermal expansion coefficients, the seal comprising: a first and a second metal contact portions (16a, 16b ) spaced from each other in an axial stack direction (8) orthogonal to a radial direction (20); - Sealing connection means (14) between the portions (16a, 16b), allowing a relative movement between them in the radial direction; and first and second sliding pieces (24a, 24b) respectively translational coupled in radial direction to the portions (16a, 16b), and stacked so as to be relatively slidable relative to each other in accordance with the radial direction.
Description
JOINT D'ETANCHEITE ENTRE DEUX ELEMENTS A COEFFICIENTS
DE DILATATION THERMIQUE DIFFERENTS
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne de façon générale un joint d'étanchéité destiné à être interposé entre deux éléments quelconques, présentant des coefficients de dilatation thermique différents.
La présente invention s'applique plus particulièrement, mais non exclusivement, au domaine des systèmes à cellules électrochimiques, de préférence des systèmes du type électrolyseur haute température, également dénommé EHT, et/ou du type pile à
combustible, de préférence fonctionnant à haute température comme des piles dites SOFC (de l'anglais Solid Oxyde Fuel Cell ).
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
De façon connue, un électrolyseur de vapeur d'eau à haute température est destiné à produire de l'hydrogène. Pour ce faire, il comprend une pluralité
de cellules électrochimiques empilées, chaque cellule étant pourvue d'une anode poreuse et d'une cathode poreuse, ainsi que d'un électrolyte agencé entre l'anode et la cathode. De plus, à chaque cellule électrochimique sont associés un interconnecteur anodique et un interconnecteur cathodique, reliés SEAL JOINT BETWEEN TWO ELEMENTS WITH COEFFICIENTS
DIFFERENT THERMAL EXPANSION
DESCRIPTION
TECHNICAL AREA
The invention generally relates to a seal intended to be interposed between two any elements, having coefficients of different thermal expansion.
The present invention applies more particularly, but not exclusively, to the field electrochemical cell systems, preferably systems of the high temperature electrolyser type, also referred to as EHT, and / or battery type fuel, preferably operating at high temperature as so-called SOFC batteries (from English Solid Oxide Fuel Cell).
STATE OF THE PRIOR ART
In known manner, a steam electrolyser of high temperature water is intended to produce hydrogen. To do this, it includes a plurality of stacked electrochemical cells, each cell having a porous anode and a cathode porous, as well as an electrolyte arranged between the anode and the cathode. In addition, at each cell electrochemical are associated an interconnector anodic and cathodic interconnector, connected
2 respectivement à l'anode et à la cathode, et chacun en contact étanche avec l'électrolyte.
Au niveau de la cathode poreuse de l'électrolyseur alimentée en vapeur d'eau, a lieu la dissociation des molécules d'eau. Les ions migrent à
travers l'électrolyte solide, généralement en céramique, grâce à l'application d'une tension appropriée, pour se recombiner aux électrodes.
Pour éviter la recombinaison de l'hydrogène et de l'oxygène, il est donc prévu d'étancher la liaison entre l'électrolyte et l'interconnecteur cathodique, ainsi que la liaison entre l'électrolyte et l'interconnecteur anodique, cela permettant simultanément d'éviter la fuite des gaz vers l'extérieur de l'électrolyseur, ainsi que la formation d'un mélange de gaz.
A cet égard, il est noté qu'une conception sensiblement similaire se retrouve sur une pile à
combustible fonctionnant à haute température, étant donné qu'elle fonctionne selon le principe inverse de celui de l'électrolyseur.
Pour assurer l'étanchéité mentionnée ci-dessus, plusieurs contraintes doivent être respectées, et en particulier l'application d'un faible effort pour le serrage du joint d'étanchéité, afin d'éviter d'endommager / de rompre l'électrolyte fragile en céramique.
En outre, l'étanchéité doit être conservée durant les phases de montée et de descente en température, ce qui présente des difficultés importantes en raison du phénomène de dilatation 2 respectively at the anode and at the cathode, and each in tight contact with the electrolyte.
At the level of the porous cathode of the electrolyser fed with water vapor, takes place dissociation of water molecules. Ions migrate to through the solid electrolyte, usually ceramic, thanks to the application of a tension appropriate, to recombine at the electrodes.
To avoid the recombination of hydrogen and oxygen, so it's planned to quench the connection between the electrolyte and the interconnector cathode, as well as the connection between the electrolyte and the anodic interconnector, this allowing simultaneously to avoid the escape of gases to the outside of the electrolyser, as well as the training a mixture of gases.
In this respect, it is noted that a substantially similar is found on a pile to fuel operating at high temperature, being given that it operates according to the opposite principle of that of the electrolyser.
To ensure the seal mentioned above above, several constraints must be respected, and in particular the application of a small effort to tightening the gasket, to avoid to damage / break the fragile electrolyte ceramic.
In addition, the waterproofing must be preserved during the phases of ascent and descent into temperature, which presents difficulties important because of the phenomenon of dilation
3 différentielle qui se produit entre chaque interconnecteur et l'électrolyte. En effet, durant la montée en température opérée pour que le système atteigne sa température de fonctionnement, après mise en place et serrage du joint, l'interconnecteur a tendance à plus se déformer dans la direction radiale que l'électrolyte. Cette dilatation différentielle a pour conséquence, avec les solutions connues du type à
joint monobloc, la rupture de l'étanchéité entre le joint et l'interconnecteur, du fait du glissement relatif entre ces deux pièces. Un phénomène analogue se produit durant la descente en température.
Ce type de problème ne concerne pas seulement les systèmes à cellule électrochimique, mais plus généralement tout assemblage comprenant deux éléments à coefficient de dilatation thermique différents, entre lesquels est interposé un joint d'étanchéité.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention a donc pour but de remédier au moins partiellement aux inconvénients mentionnés ci-dessus, relatifs aux réalisations de l'art antérieur.
Pour ce faire, l'invention a tout d'abord pour objet un joint d'étanchéité destiné à être interposé entre un premier et un second éléments respectivement réalisés dans des matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique différents, ledit joint étant caractérisé en ce qu'il comprend :
- une première et une seconde portions métalliques de contact espacées l'une de l'autre selon une direction axiale d'empilement orthogonale à une 3 differential that occurs between each interconnector and the electrolyte. Indeed, during the temperature rise operated so that the system reaches its operating temperature, after in place and tightening the seal, the interconnector has tendency to deform more in the radial direction as the electrolyte. This differential dilation has as a result, with the known solutions of the type to monobloc seal, breaking the seal between the joint and the interconnector, because of the slippage relative between these two parts. A similar phenomenon is produced during the descent into temperature.
This type of problem does not concern only electrochemical cell systems but more generally any assembly comprising two elements with coefficient of thermal expansion different, between which is interposed a joint sealing.
STATEMENT OF THE INVENTION
The object of the invention is therefore to remedy the partially to the drawbacks mentioned below.
above, relating to the achievements of the prior art.
To do this, the invention firstly purpose of which is a seal intended to be interposed between first and second elements respectively realized in materials presenting different coefficients of thermal expansion, said seal being characterized in that it comprises:
- first and second portions metal contacts spaced apart from one another according to an axial direction of stacking orthogonal to a
4 direction radiale du joint, lesdites première et seconde portions métalliques étant respectivement destinées à contacter de façon étanche lesdits premier et second éléments ;
- des moyens de liaison étanche entre lesdites première et seconde portions métalliques de contact, autorisant un déplacement relatif entre celles-ci selon ladite direction radiale ; et - une première et une seconde pièces de glissement empilées selon ladite direction axiale d'empilement, et respectivement couplées en translation selon ladite direction radiale auxdites première et seconde portions métalliques de contact entre lesquelles elles sont interposées, de manière à pouvoir glisser relativement l'une par rapport à l'autre selon ladite direction radiale.
La conception proposée est remarquable en ce qu'elle permet de maintenir l'étanchéité durant les phases de montée et de descente en température.
Effectivement, durant une montée en température opérée après mise en place et serrage du joint, l'un des deux éléments situés de part et d'autre du joint a tendance à plus se déformer que l'autre, dans la direction radiale. Mais au lieu d'un glissement entre la portion métallique de contact et son élément associé, tel que rencontré dans l'art antérieur, il se produit un glissement entre les deux pièces de glissement prévues à cet effet au coeur du joint d'étanchéité. Les première et seconde portions de contact peuvent donc respectivement accompagner les déformations des premier et second éléments, notamment grâce auxdits moyens de liaison appropriés, sans glisser sur ces derniers, c'est-à-dire en conservant un contact d'étanchéité. Un phénomène analogue se produit durant la descente en température. 4 radial direction of the joint, the said first and second metal portions being respectively intended to contact in a sealed manner said first and second elements;
- means of sealing connection between said first and second metal portions of contact, allowing relative movement between these in said radial direction; and - first and second pieces of sliding stacked along said axial direction stacking, and respectively coupled in translation in said radial direction to said first and second metal portions of contact between which they are interposed so as to be able to slide relative to each other according to said radial direction.
The proposed design is remarkable in it helps to maintain watertightness during phases of rise and fall in temperature.
Indeed, during a temperature rise operated after placing and tightening the seal, one of the two elements located on both sides of the joint tend to to more deform than the other, in the direction radial. But instead of a slip between the portion metallic contact and its associated element, as encountered in the prior art, there occurs a sliding between the two planned sliding parts for this purpose in the heart of the seal. The first and second portions of contact can therefore respectively accompany the deformations of the first and second elements, in particular by virtue of said means of appropriate connection, without slipping on them, that is to say, maintaining a sealing contact. A
similar phenomenon occurs during the descent into temperature.
5 Par ailleurs, il est noté que le déplacement relatif entre les premières et secondes pièces de glissement est préférentiellement possible dans toutes les directions de leur plan d'interface, de préférence orienté orthogonalement à la direction axiale d'empilement. Ainsi, le déplacement relatif peut non seulement s'effectuer dans la direction radiale, mais également dans la direction orthoradiale, à savoir la direction dite tangentielle/ circonférentielle.
De préférence, lesdites première et seconde pièces de glissement sont au contact l'une de l'autre, éventuellement équipées d'un revêtement favorisant le glissement. Dans le même but, une pièce intercalaire peut être insérée entre les première et seconde pièces de glissement, dans la direction axiale d'empilement.
De préférence, lesdites première et seconde portions métalliques de contact présentent chacune au moins un organe de contact d'étanchéité en saillie dans la direction axiale d'empilement, vers l'extérieur du joint, ainsi qu'au moins un organe de couplage en translation en saillie dans la direction axiale d'empilement, vers l'intérieur du joint, logé dans un orifice complémentaire pratiqué dans sa pièce de glissement associée.
De préférence, lesdites première et seconde portions métalliques de contact sont réalisées dans un WO 2011/048055 Furthermore, it is noted that the relative displacement between the first and second sliding parts is preferentially possible in all directions of their interface plan, preferably oriented orthogonally to the direction axial stacking. So, the relative displacement can not only to proceed in the radial direction, but also in the orthoradial direction, namely the so-called tangential / circumferential direction.
Preferably, said first and second sliding parts are in contact with each other, possibly equipped with a coating promoting the sliding. For the same purpose, an insert can be inserted between the first and second parts sliding, in the axial direction of stacking.
Preferably, said first and second metal contact parts each present at least one sealing contact member projecting into the axial direction of stacking, towards the outside of the together with at least one coupling member projecting translation in the axial direction stacking, towards the inside of the joint, housed in a complementary hole practiced in his room of associated slip.
Preferably, said first and second metal contact portions are made in a WO 2011/04805
6 PCT/EP2010/065649 alliage de Fer, de Chrome et d'Aluminium, par exemple de la marque FeCrAlloy .
De préférence, ladite première pièce de glissement est réalisée dans un alliage comprenant l'élément Ni dans une proportion d'au moins 72%, Cr dans une proportion de 14 et 17%, et Fe dans une proportion entre 6 et 10%, par exemple les alliages appartenant à la famille dénommée Inconel 600. Cela permet avantageusement à la première pièce de glissement de disposer d'un coefficient de dilatation thermique proche ou identique à celui de l'élément dont elle est censée accompagner le déplacement, lorsque cet élément est réalisé dans un superalliage à base de Nickel, tel que cela est généralement le cas pour un interconnecteur de cellule électrochimique.
De préférence, ladite seconde pièce de glissement est réalisée en zircone yttriée ou en Macor , c'est-à-dire une vitrocéramique facilement usinable de coefficient de dilatation proche de la zircone 11.10-6 et de composition suivante : Si02 (46%), MgO (17%), A1203 (16%), K20 (10%), B203 (7%), F
(4%). Cela permet avantageusement à la seconde pièce de glissement de disposer d'un coefficient de dilatation thermique proche ou identique à celui de l'élément dont elle est censée accompagner le déplacement, lorsque cet élément est réalisé en céramique, tel que cela est généralement le cas pour un électrolyte de cellule électrochimique.
De préférence, lesdits moyens de liaison étanche sont réalisés dans un alliage de Fer, de Chrome, et d'Aluminium par exemple également de la 6 PCT / EP2010 / 065649 Iron, Chrome and Aluminum alloy, for example from the brand FeCrAlloy.
Preferably, said first piece of slip is made in an alloy comprising the element Ni in a proportion of at least 72%, Cr in a proportion of 14 and 17%, and Fe in a proportion between 6 and 10%, for example alloys belonging to the family called Inconel 600. This advantageously allows the first piece of slip to have a coefficient of expansion near or identical to that of the element it is supposed to accompany the displacement, when this element is made of a superalloy based on Nickel, as is generally the case for a electrochemical cell interconnector.
Preferably, said second piece of slip is made of yttriated zirconia or Macor, that is to say a vitroceramic easily machinable expansion coefficient close to the zirconia 11.10-6 and of following composition: SiO2 (46%), MgO (17%), A1203 (16%), K20 (10%), B203 (7%), F
(4%). This advantageously allows the second piece of slip to have a coefficient of expansion near or identical to that of the element it is supposed to accompany the displacement, when this element is made of ceramic, as this is usually the case for a cell electrolyte electrochemical.
Preferably, said connecting means are made of an alloy of iron, Chrome, and Aluminum for example also from the
7 marque FeCrAlloy . Préférentiellement, ces moyens de liaison sont réalisés dans le même matériau que celui des première et seconde portions de contact.
De préférence, quel que soit le mode de réalisation préféré adopté, le joint présente préférentiellement une forme sensiblement annulaire.
De préférence, le rapport entre l'épaisseur de la première pièce de glissement et l'épaisseur de la première portion métallique de contact est compris entre 2 et 5, de même que le rapport entre l'épaisseur de la seconde pièce de glissement et l'épaisseur de la seconde portion métallique de contact est compris entre 2 et 5.
L'invention se rapporte également à un assemblage quelconque comprenant au moins un joint d'étanchéité tel que décrit ci-dessus, interposé entre un premier et un second éléments respectivement réalisés dans des matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique différents, ledit assemblage constituant par exemple une partie d'un système à
cellules électrochimiques.
De préférence, lesdites première et seconde pièces de glissement du joint présentent, respectivement, des coefficients de dilatation thermique proches ou identiques à ceux desdites premier et second éléments. Cela permet globalement au joint de mieux accompagner la déformation thermique des premier et second éléments, puisque les première et seconde pièces de glissement qui leur sont respectivement associées se déforment selon des amplitudes similaires.
Ainsi, durant les phases de montée et de descente en 7 brand FeCrAlloy. Preferably, these means of binding are made in the same material as that first and second contact portions.
Preferably, whatever the mode of preferred embodiment adopted, the joint presents preferably a substantially annular shape.
Preferably, the ratio between the thickness of the first slip piece and the thickness of the first metal contact portion is included between 2 and 5, as well as the ratio between the thickness of the second slip piece and the thickness of the second metal contact portion is between 2 and 5.
The invention also relates to a any assembly comprising at least one joint as described above, interposed between first and second elements respectively made of materials with coefficients of different thermal expansion, said assembly constituting for example a part of a system to electrochemical cells.
Preferably, said first and second slip pieces of the seal present, respectively, expansion coefficients close or identical to those of the first and second elements. This allows the seal to better accompany the thermal deformation of the first and second elements, since the first and second slip pieces which are respectively associated deform in similar magnitudes.
Thus, during the phases of rise and fall in
8 température, le maintien de l'étanchéité est donc encore davantage amélioré.
Par exemple, les premier et second éléments sont respectivement métallique et en céramique, comme cela est habituellement le cas pour les systèmes à
cellules électrochimiques, du type électrolyseur et/ou pile à combustible fonctionnant à haute température.
A cet égard, l'invention a également pour objet un système à cellule électrochimique comprenant au moins un joint d'étanchéité tel que décrit ci-dessus. De préférence, il comprend au moins une cellule électrochimique pourvue d'une anode, d'une cathode, ainsi que d'un électrolyte agencé entre l'anode et la cathode, un interconnecteur anodique et un interconnecteur cathodique étant associés à ladite cellule électrochimique, reliés respectivement à
l'anode et à la cathode, ledit système comprenant également au moins un joint d'étanchéité tel que décrit ci-dessus, placé entre ledit électrolyte et l'interconnecteur anodique, et/ou entre ledit électrolyte et l'interconnecteur cathodique. De préférence, deux joints distincts sont respectivement prévus pour les deux emplacements précités.
Comme évoqué ci-dessus, chacune desdites première et seconde pièces de glissement présente de préférence un coefficient de dilatation thermique proche ou identique à celui de l'élément, parmi les interconnecteurs anodique et cathodique et l'électrolyte, auquel elle est associée. 8 temperature, maintaining the tightness is therefore even more improved.
For example, the first and second elements are respectively metallic and ceramic, as this is usually the case for systems with electrochemical cells, of the electrolyser type and / or fuel cell operating at high temperature.
In this respect, the invention also object an electrochemical cell system comprising at least one seal as described above above. Preferably, it comprises at least one cell electrochemical circuit with anode, cathode, as well as an electrolyte arranged between the anode and the cathode, an anode interconnector and a cathodic interconnector being associated with said electrochemical cell, respectively connected to the anode and the cathode, said system comprising also at least one seal as described above, placed between said electrolyte and the anode interconnector, and / or between said electrolyte and the cathode interconnect. Of preferably, two separate joints are respectively provided for the two aforementioned locations.
As mentioned above, each of said first and second slip pieces present of preferably a coefficient of thermal expansion close to or identical to that of the element, among anodic and cathodic interconnectors and the electrolyte with which it is associated.
9 De préférence, les interconnecteurs anodique et cathodique sont métalliques et l'électrolyte en céramique.
Comme mentionné précédemment, le système peut être un électrolyseur haute température, ou une pile à combustible fonctionnant à haute température, par exemple du type SOFC.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ;
- la figure 1 représente une vue schématique en coupe d'une cellule électrochimique d'un électrolyseur haute température, coopérant de part et d'autre avec des interconnecteurs par l'intermédiaire de deux joints d'étanchéité selon la présente invention ;
- la figure 2 représente une vue détaillée en demi-coupe de l'un des deux joints montrés sur la figure 1, le joint se présentant sous la forme d'un mode de réalisation préféré de la présente invention, dans une configuration non contrainte ;
- la figure 3a représente le joint montré
sur la figure précédente, après son serrage ; et - la figure 3b représente le joint montré
sur la figure précédente, en état dilaté de fonctionnement.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS
En référence tout d'abord à la figure 1, on peut apercevoir schématiquement une cellule électrochimique 1 d'un électrolyseur haute température, 5 de préférence de géométrie dite plane.
Sa conception générale est connue, à savoir qu'elle comprend une anode poreuse 2, une cathode poreuse 4, ainsi qu'un électrolyte 6 agencé en contact entre l'anode et la cathode. Ces pièces, de préférence 9 Preferably, the interconnectors anodic and cathodic are metallic and the ceramic electrolyte.
As mentioned earlier, the system can be a high temperature electrolyser, or a fuel cell operating at high temperature, for example of the SOFC type.
Other advantages and features of the invention will appear in the detailed description non-limiting below.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
This description will be made with regard to attached drawings among which;
FIG. 1 represents a view schematic sectional view of an electrochemical cell of a high temperature electrolyser, cooperating on both sides else with interconnectors via two seals according to this invention;
FIG. 2 represents a detailed view in half-section of one of the two joints shown on the FIG. 1, the seal being in the form of a preferred embodiment of the present invention, in an unconstrained configuration;
FIG. 3a represents the seal shown in the previous figure, after tightening; and FIG. 3b represents the joint shown in the previous figure, in an expanded state of operation.
DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Referring first to Figure 1, can schematically see a cell electrochemical 1 of a high temperature electrolyser, Preferably of planar geometry.
Its general conception is known, namely it comprises a porous anode 2, a cathode porous 4, and an electrolyte 6 arranged in contact between the anode and the cathode. These pieces, preferably
10 de forme circulaire, sont empilées selon une direction axiale d'empilement correspondant à leur axe 8.
A cette cellule 1 est associé un interconnecteur anodique 2' plaqué contre l'anode, et définissant avec celle-ci une chambre ou compartiment anodique 2" à travers lequel le fluide peut circuler.
De la même manière, il est prévu un interconnecteur cathodique 4' plaqué contre la cathode, et définissant avec celle-ci une chambre ou compartiment cathodique 4" à travers lequel le fluide peut circuler.
De façon classique, les interconnecteurs 2', 4' sont métalliques, tandis que l'électrolyte solide est en céramique. Encore plus préférentiellement, les interconnecteurs peuvent être en superalliage à base de Nickel, par exemple ceux commercialisés sous la marque Haynes 230 , ou bien en acier ferritique, par exemple ceux commercialisés sous la marque de type CroFer .
Pour assurer l'étanchéité des compartiments 2'', 4', il est prévu un joint d'étanchéité 10 entre l'électrolyte 6 et l'interconnecteur 2, ainsi qu'un autre joint d'étanchéité 10, de conception identique ou 10 of circular shape, are stacked in one direction axial stacking corresponding to their axis 8.
At this cell 1 is associated a 2 'anode interconnector pressed against the anode, and defining with it a chamber or compartment anodic 2 "through which the fluid can flow.
In the same way, there is an interconnector 4 'cathodic plated against the cathode, and defining with this one a cathode chamber or compartment 4 "through which the fluid can flow.
In a classical way, interconnectors 2 ', 4' are metallic, while the electrolyte solid is ceramic. Even more preferentially, the interconnectors can be Nickel-based superalloys, for example those marketed under the brand name Haynes 230, or ferritic steel, for example those marketed under the CroFer brand.
To seal the compartments 2 '', 4 ', there is provided a seal 10 between the electrolyte 6 and the interconnector 2, as well as a another seal 10, of identical design or
11 similaire, entre l'électrolyte 6 et l'interconnecteur 4'. Ces joints sont de préférence annulaires, d'axe 8, agencés en périphérie de l'empilement, et plus particulièrement radialement vers l'extérieur par rapport à l'anode et à la cathode.
La particularité de l'invention réside dans la conception de ces joints d'étanchéité 10, dont l'un va à présent être décrit au travers d'un mode de réalisation préféré.
Tout d'abord en référence à la figure 2 représentant le joint 10 en demi-coupe, on peut voir qu'il présente une première et une seconde portions métalliques de contact 16a, 16b, espacées l'une de l'autre selon la direction axiale d'empilement 8, orthogonale à une direction radiale du joint schématisée par la flèche 20. Ces deux portions 16a, 16b sont respectivement destinées à être en contact extérieur avec la surface inférieure de l'interconnecteur cathodique 4', et avec la surface supérieure de l'électrolyte 6, les contacts étanches étant de préférence linéiques, et encore plus préférentiellement circulaires, orthogonaux à l'axe 8.
Pour ce faire, chaque portion 16a, 16b comporte un organe de contact d'étanchéité 18a, 18b, en saillie dans la direction axiale d'empilement vers l'extérieur du joint, en direction de son élément associé 4, 6.
Cet organe peut être une nervure annulaire centrée sur l'axe 8, ou bien encore une pluralité de pions répartis circonférentiellement autour de ce même axe. Dans les deux cas, chaque organe de contact d'étanchéité 18a, 18b présente une section, dans un plan radial intégrant 11 similar, between the electrolyte 6 and the interconnector 4 '. These seals are preferably annular, of axis 8, arranged at the periphery of the stack, and more particularly radially outward by relative to the anode and the cathode.
The particularity of the invention lies in the design of these seals 10, one of which will now be described through a mode of preferred embodiment.
Firstly with reference to Figure 2 representing the joint 10 in half-section, we can see it has first and second portions metal contacts 16a, 16b spaced apart from each other the other in the axial direction of stacking 8, orthogonal to a radial direction of the joint schematized by the arrow 20. These two portions 16a, 16b are respectively intended to be in contact outside with the lower surface of the cathodic interconnector 4 ', and with the surface upper electrolyte 6, waterproof contacts being preferably linear, and even more preferably circular, orthogonal to the axis 8.
To do this, each portion 16a, 16b has a sealing contact member 18a, 18b, projecting in the axial direction of stacking outwards of the seal, towards its associated element 4, 6.
This member may be an annular rib centered on the axis 8, or even a plurality of distributed pieces circumferentially around this same axis. In the two cases, each sealing contact member 18a, 18b has a section, in a radial plane integrating
12 l'axe 8, en forme générale de pointe orientée vers l'élément 4, 6 qu'il est destiné à contacter. Ainsi, sa partie la plus effilée, qui est destinée à être au contact de son élément associé 4', 6, présente une section faible dans un plan orthogonal à l'axe 8, propice à un écrasement important par déformation plastique.
En outre, chaque portion 16a, 16b comporte également un organe de couplage en translation 22a, 22b, en saillie dans la direction axiale d'empilement vers l'intérieur du joint. Ici aussi, l'organe 22a, 22b peut être une nervure annulaire centrée sur l'axe 8, ou bien encore une pluralité de pions répartis circonférentiellement autour de ce même axe. En outre, il est par exemple prévu que l'organe 18a, 18b soit situé au droit de l'organe 22a, 22b situé sur la même pièce 16a, 16b.
Chacune de ces pièces 16a, 16b prend donc préférentiellement la forme générale d'un disque centré
sur l'axe 8, de faible épaisseur, réalisé dans un alliage de Fer, de Chrome et d'Aluminium, par exemple de la marque FeCrAlloy .
Les portions 16a, 16b sont reliées l'une à
l'autre par des moyens de liaison étanche, prenant ici la forme d'une structure intérieure 14 ouverte radialement vers l'extérieur, et aux extrémités de laquelle sont respectivement solidarisées les deux portions de contact 16a, 16b, de préférence par soudage. La structure intérieure 14 présente une flexibilité dans la direction radiale 20, de manière à
autoriser un déplacement relatif, selon cette même 12 the axis 8, generally oriented tip oriented the element 4, 6 that it is intended to contact. So, its most tapered part, which is destined to be at contact of its associated element 4 ', 6, presents a weak section in a plane orthogonal to the axis 8, conducive to significant crushing by deformation plastic.
In addition, each portion 16a, 16b comprises also a translation coupling member 22a, 22b, projecting in the axial direction of stacking towards the inside of the joint. Here too, the organ 22a, 22b can be an annular rib centered on the axis 8, or well still a plurality of distributed pawns circumferentially around this same axis. In addition, it is for example provided that the member 18a, 18b is located at the right of the organ 22a, 22b located on the same room 16a, 16b.
Each of these pieces 16a, 16b therefore takes preferentially the general shape of a centered disc on the axis 8, of small thickness, realized in a Iron, Chrome and Aluminum alloy, for example from the brand FeCrAlloy.
The portions 16a, 16b are connected to each other the other by means of waterproof connection, taking here the shape of an open interior structure 14 radially outward, and at the ends of which are respectively the two contact portions 16a, 16b, preferably by welding. The inner structure 14 has a flexibility in the radial direction 20, so as to allow relative movement, according to this same
13 direction, entre les deux portions de contact 16a, 16b qu'elle supporte. Pour assurer cette flexibilité, on fait de préférence en sorte que cette structure annulaire 14, centrée sur l'axe 8, dispose d'une demi-section en forme générale de C ou de U ouvert radialement vers l'extérieur, comme cela est montré sur la figure 2. Dans cette configuration, la base du U ou du C sert de rempart d'étanchéité vis-à-vis des autres éléments du joint qui seront décrits ci-après, tandis que les deux branches portent respectivement les deux portions de contact 16a, 16b.
Dans le mode de réalisation représenté, le U ou le C est réalisé à partir de deux demi-structures annulaires reliées entre elles, par exemple par soudage, ou tout autre technique connue de l'homme du métier. Néanmoins, une solution d'un seul tenant est envisageable. De plus, d'autres formes assurant une telle flexibilité peuvent être envisagées, sans sortir du cadre de l'invention.
La structure intérieure 14, de faible épaisseur conférant la flexibilité souhaitée, peut également être réalisée dans un alliage de Fer, de Chrome et d'Aluminium, par exemple de la marque FeCrAlloy .
L'une des particularités de la présente invention réside dans la mise en place, au sein du joint entre les deux portions de contact 16a, 16b, d'une première et d'une seconde pièces de glissement 24a, 24b également empilées selon la direction axiale d'empilement 8. Ces deux pièces sont annulaires, centrées sur l'axe 8. La pièce 24a est en contact 13 direction, between the two contact portions 16a, 16b that she supports. To ensure this flexibility, we preferably makes sure that this structure ring 14, centered on the axis 8, has a half section in general C or U shape radially outward, as shown on Figure 2. In this configuration, the base of the U or of the C serves as a bulwark sealing against other elements of the joint that will be described below, while that the two branches carry respectively the two contact portions 16a, 16b.
In the embodiment shown, the U or C is made from two half-structures annular interconnected, for example by welding, or any other technique known to man job. Nevertheless, a one-off solution is possible. In addition, other forms ensuring Such flexibility can be envisaged without leaving of the scope of the invention.
The inner structure 14, of low thickness conferring the desired flexibility, can also be made of an alloy of Iron, Chrome and Aluminum, for example from the brand FeCrAlloy.
One of the peculiarities of this invention lies in the establishment, within the joint between the two contact portions 16a, 16b, first and second sliding parts 24a, 24b also stacked in the axial direction 8. These two pieces are annular, centered on the axis 8. The piece 24a is in contact
14 surfacique avec la surface inférieure de la première portion de contact 16a, tandis que la pièce 24b est en contact surfacique avec la surface supérieure de la seconde portion de contact 16b. Au niveau de chacune de ces interfaces, l'organe de couplage en translation 22a, 22b pénètre dans un orifice complémentaire 26a, 26b, prévu sur la surface de la pièce 24a, 24b concernée. Cela assure un couplage en translation, selon la direction radiale 20, entre la première pièce de contact 16a et la première pièce de glissement 24a, ainsi qu'entre la seconde pièce de contact 16b et la seconde pièce de glissement 24b.
D'autre part, les deux pièces de glissement 24a, 24b sont en appui l'une contre l'autre, de préférence en appui plan orthogonal à l'axe 8, de manière à pouvoir glisser relativement l'une par rapport à l'autre selon la direction radiale 20, et, si nécessaire, également selon la direction orthoradiale correspondant à la direction tangentielle/
circonférentielle. Elles peuvent être équipées de revêtements favorisant le glissement, et sont de préférence au contact l'une de l'autre.
Lorsque l'interconnecteur 4' est réalisé en superalliage à base de Nickel, la première pièce de glissement 24a est elle préférentiellement réalisée dans le même matériau ou dans un alliage dénommé
Inconel 600, moins coûteux. En revanche, lorsque l'interconnecteur 4' est réalisé en acier ferritique, par exemple ceux commercialisés sous la marque de type CroFer , la première pièce de glissement 24a est elle préférentiellement réalisée dans le même matériau.
En outre la seconde pièce de glissement 24b est elle réalisée en zircone yttriée ou en Macor .
Quoi qu'il en soit, il est fait en sorte que les première et seconde pièces de glissement du 5 joint présentent, respectivement, des coefficients de dilatation thermique proches ou identiques à ceux des de l'interconnecteur 4' et de l'électrolyte 6, afin de mieux accompagner la déformation thermique de ces derniers, comme cela sera détaillé ci-après.
10 De plus, les deux pièces de glissement 24a, 24b sont réalisées de manière à offrir au joint une rigidité dans la direction de l'axe 8, même à haute température, c'est-à-dire au-delà de 500 C.
De préférence, le rapport entre l'épaisseur 14 surface with the lower surface of the first contact portion 16a, while part 24b is in surface contact with the upper surface of the second contact portion 16b. At the level of each these interfaces, the coupling member in translation 22a, 22b enters a complementary orifice 26a, 26b, provided on the surface of the piece 24a, 24b concerned. This ensures translation coupling, in the radial direction 20, between the first piece contact 16a and the first sliding piece 24a, as well as between the second contact piece 16b and the second sliding part 24b.
On the other hand, both slip pieces 24a, 24b are supported against each other, preferably in plane support orthogonal to the axis 8, of so that you can slide relatively relative to each other in the radial direction 20, and, if necessary, also according to the orthoradial direction corresponding to the tangential direction /
circumferentially. They can be equipped with coatings promoting sliding, and are of preferably in contact with each other.
When the interconnector 4 'is made of superalloy based on Nickel, the first piece of slip 24a is preferably performed in the same material or in an alloy referred to Inconel 600, less expensive. On the other hand, when the interconnector 4 'is made of ferritic steel, for example those marketed under the type mark CroFer, the first sliding part 24a is it preferably carried out in the same material.
In addition the second sliding part 24b is it made of yttria or Macor zirconia.
Anyway, it's made sure that the first and second sliding parts of the 5 have, respectively, coefficients of thermal expansion close to or similar to those of of the interconnector 4 'and the electrolyte 6, in order to better accompany the thermal deformation of these the latter, as will be detailed below.
In addition, the two sliding parts 24a, 24b are made so as to offer the joint a rigidity in the direction of the axis 8, even at high temperature, that is to say beyond 500 C.
Preferably, the ratio between the thickness
15 de la première pièce de glissement 24a et l'épaisseur de la première portion métallique de contact 16a est compris entre 2 et 5, de même que le rapport entre l'épaisseur de la seconde pièce de glissement 24b et l'épaisseur de la seconde portion métallique de contact 16b est compris entre 2 et 5. Encore plus préférentiellement, l'épaisseur des première et seconde portions métalliques de contact 16a, 16b est la plus mince possible, juste limitée par les possibilités d'usinage. Ici, l'épaisseur des éléments 16a, 16b, 24a, 24b doit être comprise comme leur épaisseur moyenne dans la direction d'empilement, en dehors de leurs zones pourvues des saillies/creux 18a, 18b, 22a, 22b, 26a, 26b.
Le procédé de mise en place du joint 10 entre l'électrolyte 6 et l'interconnecteur 4' est tout d'abord initié par son positionnement à froid entre ces 15 of the first sliding piece 24a and the thickness of the first metal contact portion 16a is between 2 and 5, as well as the relationship between the thickness of the second sliding part 24b and the thickness of the second metal contact portion 16b is between 2 and 5. Even more preferentially, the thickness of the first and second metal contact portions 16a, 16b is the most slim possible, just limited by the possibilities machining. Here, the thickness of the elements 16a, 16b, 24a, 24b should be understood as their average thickness in the stacking direction, apart from their areas provided with protrusions / recesses 18a, 18b, 22a, 22b, 26a, 26b.
The process of setting up the seal 10 between the electrolyte 6 and the interconnector 4 'is everything first initiated by its cold positioning between these
16 deux éléments, comme cela a été schématisé sur la figure 2. Un faible jeu peut alors exister à ce stade, entre le joint 10 et l'un des éléments 4', 6.
Ensuite, une opération de serrage du joint est réalisée, par exemple à une température proche de 20 C, ou à plus haute température. Durant cette opération, un effort axial est appliqué sur le joint, par exemple par une presse, comme cela a été schématisé
par les flèches 27 de la figure 3a.
Durant ce serrage, le joint 10 est plaqué
contre les surfaces en regard de l'interconnecteur 4' et de l'électrolyte 6. Cela a pour conséquence un écrasement des organes de contact d'étanchéité 18a, 18b contre leurs éléments 4', 6 associés. Il en résulte un ancrage des portions de contact 16a, 16b respectivement dans l'interconnecteur 4' et l'électrolyte 6. A titre indicatif, l'effort de pression appliqué le long d'une ligne circulaire, au droit du joint, peut être de l'ordre de 3 N/mm.
Ensuite, l'ensemble, toujours soumis à
l'effort de pression, est placé dans un four et soumis à une augmentation de la température, de manière à
atteindre une température de fonctionnement du système, par exemple de l'ordre de 800 C.
Au cours de cette augmentation de la température, les différents composants de l'ensemble se dilatent thermiquement, en particulier dans la direction radiale, selon des amplitudes définies par leur coefficient de dilatation thermique.
Ainsi, il est connu d'observer une dilatation thermique différentielle des deux éléments 16 two elements, as has been schematized on the figure 2. A weak game can then exist at this stage, between the seal 10 and one of the elements 4 ', 6.
Then, a tightening operation of the seal is performed, for example at a temperature close to 20 C, or at higher temperature. During this operation, an axial force is applied on the joint, for example by a press, as has been schematized by the arrows 27 of Figure 3a.
During this tightening, the seal 10 is plated against the surfaces facing the interconnector 4 ' and electrolyte 6. This results in a crushing of the sealing contact members 18a, 18b against their elements 4 ', 6 associated. This results in a anchoring the contact portions 16a, 16b respectively in the interconnector 4 'and the electrolyte 6.
indicative, the pressure force applied along a circular line, to the right of the joint, may be the order of 3 N / mm.
Then, all, always subject to the pressure force, is placed in an oven and subjected to an increase in temperature, so as to reach an operating temperature of the system, for example of the order of 800 C.
During this increase in temperature, the different components of the set expand thermally, especially in the radial direction, according to amplitudes defined by their coefficient of thermal expansion.
Thus, it is known to observe a differential thermal expansion of the two elements
17 4', 6 dans la direction radiale 20, l'effet de cette dilatation différentielle dans la direction axiale restant négligeable.
Plus précisément, comme cela a été
schématisé de façon volontairement exagérée pour des raisons de clarté sur la figure 3b, l'interconnecteur 4' a tendance à plus s'écarter de l'axe 8 que l'électrolyte 6, tel que cela est schématisé par la flèche 29.
Néanmoins, cela n'a pas pour conséquence de rompre les ancrages précités, puisqu'au lieu d'un glissement entre la portion métallique de contact 16a, 16b et son élément associé 4, 6, il se produit un glissement entre les deux pièces de glissement 24a, 24b prévues à cet effet au coeur du joint d'étanchéité, et qui se déforment respectivement selon des amplitudes similaires à leurs éléments associés 4', 6, en raison des coefficients de dilatation thermiques identiques ou similaires.
En d'autres termes, les première et seconde portions de contact 16a, 16b accompagnent respectivement les déformations de l'interconnecteur 4' et de l'électrolyte 6, notamment grâce à la déformation de la structure intérieure flexible 14, sans glisser sur ces éléments 4', 6, c'est-à-dire en conservant l'ancrage conférant l'étanchéité.
Ensuite, le système à cellule électrochimique peut fonctionner, toujours avec le joint 10 maintenu sous pression, comme montré sur la figure 3b. 17 4 ', 6 in the radial direction 20, the effect of this differential expansion in the axial direction remaining negligible.
More specifically, as it has been schematically deliberately exaggerated for reasons for clarity in Figure 3b, the interconnector 4 'tends to deviate more from axis 8 than the electrolyte 6, as shown schematically by the arrow 29.
Nevertheless, this does not result in to break the aforementioned anchorages, since instead of sliding between the metal contact portion 16a, 16b and its associated element 4, 6, there occurs a sliding between the two sliding parts 24a, 24b provided for this purpose in the heart of the seal, and which deform respectively according to amplitudes similar to their associated elements 4 ', 6, because of their identical thermal expansion coefficients or Similar.
In other words, the first and second contact portions 16a, 16b accompany respectively the deformations of the interconnector 4 ' and the electrolyte 6, in particular thanks to the deformation of the flexible inner structure 14, without sliding on these elements 4 ', 6, that is to say retaining the anchor conferring the seal.
Then the cell system electrochemical can work, always with the seal 10 held under pressure, as shown on the Figure 3b.
18 Enfin, il est noté que le second joint 10 présente une conception similaire à celle du joint qui vient d'être présenté, en étant placée de manière renversée entre l'interconnecteur anodique 2' et l'électrolyte 6.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à
l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à
titre d'exemples non limitatifs. 18 Finally, it is noted that the second seal 10 has a similar design to that of the joint has just been presented, being placed so reversed between the anodic interconnector 2 'and the electrolyte 6.
Of course, various modifications may be made by the person skilled in the art to the invention which has just been described, only As non-limiting examples.
Claims (16)
- une première et une seconde portions métalliques de contact (16a, 16b) espacées l'une de l'autre selon une direction axiale d'empilement (8), lesdites première et seconde portions métalliques étant respectivement destinées à contacter de façon étanche lesdits premier et second éléments ;
- des moyens de liaison étanche (14) entre lesdites première et seconde portions métalliques de contact (16a, 16b), autorisant un déplacement relatif entre celles-ci selon une direction radiale (20) du joint ; et - une première et une seconde pièces de glissement (24a, 24b) empilées selon ladite direction axiale d'empilement (8), et respectivement couplées en translation selon ladite direction radiale auxdites première et seconde portions métalliques de contact (16a, 16b) entre lesquelles elles sont interposées, de manière à pouvoir glisser relativement l'une par rapport à l'autre selon ladite direction radiale (20). 1. Gasket (10) intended to be interposed between a first and a second element (4 ', 6) respectively made of materials with thermal expansion coefficients different, said seal being characterized in that includes:
- first and second portions metal contacts (16a, 16b) spaced apart from the other in an axial stacking direction (8), said first and second metal portions being respectively intended to contact sealingly said first and second elements;
- sealing connection means (14) between said first and second metal portions of contact (16a, 16b), allowing relative movement between them in a radial direction (20) of the seal; and - first and second pieces of sliding (24a, 24b) stacked according to said direction axially stacked (8), and respectively coupled in translation along said radial direction to said first and second metal contact portions (16a, 16b) between which they are interposed, so that you can slide relatively relative to each other in said radial direction (20).
en ce que lesdites première et seconde portions métalliques de contact (16a, 16b) sont réalisées dans un alliage de Fer, de Chrome et d'Aluminium. 4. Gasket according to one any of the preceding claims, characterized in that said first and second portions metal contacts (16a, 16b) are made in an alloy of Iron, Chrome and Aluminum.
en ce que ladite première pièce de glissement (24a) est réalisée dans un alliage comprenant l'élément Ni dans une proportion d'au moins 72%, Cr dans une proportion de 14 et 17%, et Fe dans une proportion entre 6 et 10%. 5. Gasket according to one any of the preceding claims, characterized in that said first sliding piece (24a) is made in an alloy comprising the element Ni in a proportion of at least 72%, Cr in a proportion 14 and 17%, and Fe in a proportion between 6 and 10%.
en ce que ladite seconde pièce de glissement (24b) est réalisée en zircone yttriée. 6. Gasket according to one any of the preceding claims, characterized in that said second sliding piece (24b) is made of yttria zirconia.
en ce que lesdits moyens de liaison étanche (14) sont réalisés dans le même matériau que celui desdites première et seconde portions métalliques de contact (16a, 16b). 7. Gasket according to one any of the preceding claims, characterized in that said sealing connection means (14) are made of the same material as that first and second metal contact portions (16a, 16b).
en ce que le rapport entre l'épaisseur de la première pièce de glissement (24a) et l'épaisseur de la première portion métallique de contact (16a) est compris entre 2 et 5, et en ce que le rapport entre l'épaisseur de la seconde pièce de glissement (24b) et l'épaisseur de la seconde portion métallique de contact (16b) est compris entre 2 et 5. 8. Gasket according to one any of the preceding claims, characterized in that the ratio between the thickness of the first slip piece (24a) and the thickness of the first metal contact portion (16a) is between 2 and 5, and in that the ratio between the thickness of the second sliding piece (24b) and the thickness of the second metal contact portion (16b) is included between 2 and 5.
entre l'anode et la cathode, un interconnecteur anodique (2') et un interconnecteur cathodique (4') étant associés à ladite cellule électrochimique (1), reliés respectivement à l'anode et à la cathode, ledit système comprenant également au moins un joint d'étanchéité (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, placé entre ledit électrolyte (6) et l'interconnecteur anodique (2'), et/ou entre ledit électrolyte (6) et l'interconnecteur cathodique (4'). 13. System according to claim 12, characterized in that it comprises at least one cell electrochemical circuit (1) provided with an anode (2), a cathode (4), as well as an arranged electrolyte (6) between the anode and the cathode, an interconnector anode (2 ') and a cathode interconnect (4') being associated with said electrochemical cell (1), connected respectively to the anode and the cathode, said system also comprising at least one seal seal (10) according to any one of Claims 1 to 8, placed between said electrolyte (6) and the anode interconnector (2 '), and / or between said electrolyte (6) and the cathode interconnect (4 ').
combustible fonctionnant à haute température. 16. System according to any one of claims 12 to 15, characterized in that it is a high temperature electrolyser, or a battery fuel operating at high temperature.
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